Fraunhofer ISE Prototypensystem zum induktiven Laden von Elektrofahrzeugen

Die kontaktlose Energieübertragung macht das umständliche Handtieren mit Stecker und Kabel überflüssig.
Die kontaktlose Energieübertragung macht das umständliche Handtieren mit Stecker und Kabel überflüssig.

Vom Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE kommt ein effizientes System zur induktiven Ladung von Elektrofahrzeugen. Die ersten Prototypen des Ladesystems erzielten einen Wirkungsgrad für die induktive Übertragungsstrecke von 97,4 Prozent bei einem Spulenabstand von 13 cm. Die übertragbare Leistung beträgt bis zu 22 kW.

Bei dem System erfolgt die Energieübertragung an die Fahrzeugbatterie kontaktlos über ein Magnetfeld zwischen zwei Spulen. Die stationäre Spule wird in die Straße oder den Parkplatz eingelassen, während die zweite, mobile Spule in den Fahrzeugboden integriert wird.

Alle für die kontaktlose Energieübertragung notwendigen leistungselektronischen Wandler, das Spulensystem sowie die Regelungstechnik wurden im Rahmen des Fraunhofer-Verbundprojekts "Gemeinschaftlich-e-Mobilität: Fahrzeuge, Daten und Infrastruktur" am Fraunhofer ISE entwickelt und aufgebaut. Beispielsweise wurde ein resonanter leistungselektronischer Wandler kreiert, der mit Hilfe des Resonanzkreises und der stationären Spule ein hochfrequentes Magnetfeld erzeugt. Dieses überträgt die Leistung an die mobile Spule im Elektrofahrzeug. Ein weiterer Wandler formt den hochfrequenten Spulenstrom wieder in Gleichstrom um und lädt damit die Batterie. Bei allen Arbeiten stand die Optimierung der gesamten Wirkungskette des induktiven Ladevorganges im Mittelpunkt.

Durch den Einsatz von SiC-Halbleitern ließ sich die Effizienz der leistungselektronischen Wandler im gesamten Ladesystem erheblich steigern. Durch die niedrigen Schaltverluste der SiC-Transistoren ist eine hohe Taktfrequenz von 100 kHz möglich, wodurch der mechanische Aufbau kompakt und deutlich leichter wird als bei konventionellen Geräten. Weitere Verluste konnten durch die Optimierung der Spulen und des Resonanzkreises minimiert werden. Durch Kompensation mit speziellen Kondensatoren auf stationärer und mobiler Seite wurde der Blindleistungsbedarf der Spulen und ihres Streufeldes kompensiert. Auch zwischen der Leistungselektronik und den Spulen muss keine Blindleistung ausgetauscht werden.

Zur Komplettierung des Ladesystems entwickelten die Freiburger auch einen bidirektionalen Wechselrichter zur Anbindung des stationären Teilsystems an das Netz sowie einen bidirektionalen Wandler zur Anbindung des mobilen Teilsystems an die Batterie. Das Ladesystem arbeitet somit durchgehend bidirektional und kann sowohl Strom aus dem Netz ins Fahrzeug übertragen, als auch den zwischengespeicherten Strom aus der Fahrzeugbatterie ins Netz zurückspeisen. Für das so entstehende Gesamtsystem geben die Forscher einen Wirkungsgrad von bis zu 95 Prozent an. Die maximal übertragbare Leistung bei den Prototypen liegt bei 22 kW. Damit ist es möglich, eine übliche Elektrofahrzeugbatterie in weniger als einer Stunde auf 80 Prozent ihrer Nennkapazität zu laden.